Материаловеды из МГУ, МИСИС и МФТИ рекордно ускорили синтез наномагнитов из очень редкого материала — эпсилон оксида железа (ε-Fe2O3). Он устойчив лишь в виде наночастиц и отличается от других оксидов железа сложной искаженной кристаллической решеткой. Последнее радикально меняет его магнитные свойства — например, эпсилон оксид железа поглощает излучение миллиметрового диапазона, который может стать рабочим для устройств 6G, а также его очень сложно размагнитить. Ключом, который сделал возможным промышленное получение материала, стала новая методика, позволяющая получать чистый материал в десятки раз быстрее, чем раньше. Исследование опубликовано в журнале Journal of Materials Chemistry C.
С точки зрения простейшей школьной химии любое вещество можно описать, указав из каких атомов оно состоит — и в каком соотношении они составляют это вещество. Например, легко отличить друг от друга минералы магнетит (Fe3O4) и гематит (Fe2O3). В первом на 6 атомов железа приходится 8 атомов кислорода, во втором на 6 атомов железа 9 атомов кислорода. Но когда речь заходит о физических свойствах материала, например, например, магнитных, то важным оказывается и то, как атомы упакованы в веществе. Например, в гематите Fe2O3 каждый атом железа окружен шестью атомами кислорода, так что минерал слабо притягивается к магнитам. А в маггемите, который тоже имеет формулу Fe2O3, примерно треть атомов железа окружена лишь четырьмя кислородами — и он очень хорошо притягивается к магниту (а магнетит — еще лучше).
Зная, какое расположение атомов улучшает магнитные свойства, можно создать магнитный материал с «идеальными» свойствами — либо очень хорошо магнитящийся, либо тот, который очень сложно размагнитить, а если постараться, то умеющий делать и то и другое. Но, к сожалению, отнюдь не любые расположения атомов (структуры) устойчивы — в большинстве своем они легко разрушаются, превращаясь в более устойчивые, но менее интересные структуры с точки зрения их свойств. Чтобы сделать структуру материала устойчивой, надо подобрать специальные условия: давление и температуру при которых она будет использоваться, или, иногда, размер частиц, сделанных из этого материала. Дело в том, что атомы на поверхности частиц ведут себя совсем иначе, чем атомы в толще вещества, у них другое окружение и другая подвижность. И чем меньше размер частиц, тем сильнее на нее влияют поверхностные атомы. А это может стабилизировать одну из желанных структур материала.
Самые маленькие 10-нанометровые частицы Fe2O3 стремятся обладать структурой маггемита, а крупные 100-нанометровые частицы сделают все возможное, чтобы перейти в структуру гематита. Ровно между ними лежит область существования очень редкого эпсилон оксида железа ε-Fe2O3: в его структуре есть атомы железа с четырьмя различными вариантами окружения атомами кислорода. И этот материал обладает абсолютным рекордом среди оксидов железа по величине коэрцитивной силы — своей способности сопротивляться перемагничиванию. А такие материалы нужны как для магнитной записи информации, так и для некоторых применений, связанных с радиосвязью.
Кроме того, что сам материал существует лишь в виде наночастиц, практически единственным способом получить его целенаправленно является синтез в пористом силикагеле (он используется чтобы впитывать влагу, например). Диоксид кремния стабилизирует структуру эпсилон оксида железа и не дает отдельным наночастицам срастаться, предотвращая образование гематита. Для успешного синтеза материала необходимо внедрить ионы железа в поры диоксида кремния, а потом нагреть до температуры около 1000-1250 градусов Цельсия. Самый простой способ добиться этого — вырастить силикагель прямо в растворе солей железа, что может отнимать до нескольких недель.
Из-за сложного синтеза эпсилон оксид до сих пор не находит промышленного применения, хотя впервые в чистом виде он был получен еще в 2004 году. Решить эту проблему смогла команда исследователей во главе с Львом Трусовым (Lev Trusov) с химического факультета МГУ. Коллективу удалось упростить технологию получения нового оксида железа. Во-первых, химики ускорили синтез кремний-оксидного геля примерно в 240 раз — до двух часов, — за счет повышения температуры. Во-вторых, они показали, что изменяя температуру последующего отжига можно очень точно задавать диаметр наночастиц, а с ним и их свойства, а также добиться получения чистого ε-Fe2O3.
Дальнейшие измерения в лаборатории терагерцовой спектроскопии МФТИ показали, что размер частиц сильно влияет на частоту ферромагнитного резонанса материала: она сдвигается с 162 до 170 ГГц с увеличением диаметра, хотя можно было бы ожидать, что эта величина будет постоянной для частиц с одинаковой кристаллической структурой. Естественный ферромагнитный резонанс — это процесс поглощения электромагнитного излучения, который происходит за счет прецессии магнитных моментов. Интересно, что частоты, которые поглощают наночастицы ε-Fe2O3, лежат в миллиметровом диапазоне (100-300 ГГц), который предполагается использовать для 6G-связи. Поэтому авторы надеются на то, что новая технология получения наночастиц эпсилон оксида железа найдет применение в устройствах приема и передачи нового поколения связи — например, циркуляторах и ферритовых вентилях.
Ранее мы сообщали о другом необычном оксиде железа с составом Fe2O3 — гематене. Он представляет собой атомарно тонкие слои гематита, которые отщепляли от кристалла с помощью ультразвука и диметилформамида. Переход от трехмерной структуры к атомарным слоям тоже меняет магнитные свойства материала: гематен, в отличие от гематита, будет хорошо притягиваться к магниту — он ферромагнетик, а гематит — антиферромагнетик.
Владимир Королёв